Wenn wir die Toilette benutzen, stoßen wir oft auf die Peinlichkeit von „Rückständen“ auf der Toilette. Wenn Sie den Spülknopf immer wieder drücken, der restliche Kot aber immer noch an der Toilettenwand anstarrt, denken Sie vielleicht:Warum kann es auf dieser Welt keine Toiletten geben, an denen kein Kot festklebt?Tatsächlich hat dieses Thema auch das Interesse von Wissenschaftlern geweckt.

Warum brauchen wir eine Toilette, an der sich kein Kot ansammelt?

Warum ist Kot so klebrig?

S.M. Woolley und andere von der Universität KwaZulu-Natal in Südafrika haben herausgefunden, dass die Viskosität des Stuhls eng mit dem Wassergehalt zusammenhängt und der Wassergehalt des Stuhls durch die Aufnahme von Ballaststoffen und Proteinen beeinflusst wird. Allerdings ist die Aufnahme von proteinreichen Lebensmitteln (wie Fleisch und Hülsenfrüchten) und ballaststoffreichen Lebensmitteln (wie Obst, Gemüse und Vollkorn) für den Menschen von entscheidender Bedeutung, um ein gesundes Verdauungssystem aufrechtzuerhalten, und sie spielen eine wesentliche Rolle in der menschlichen Ernährung.

Es ist nicht einfach, die Viskosität von Kot zu ändern, ohne die Ernährung drastisch umzustellen.


Eiweiß- und ballaststoffreiche Lebensmittel spielen in der menschlichen Ernährung eine wichtige Rolle. Dieses Bild wurde von KI gezeichnet

Um das Problem der „Rückstände“ auf der Toilette zu lösen, haben Menschen verschiedene Toiletten mit einzigartigen Prinzipien und starker Spülkraft entwickelt. Allerdings führt der hohe Wasserdurchfluss dieser Power-Spül-Toiletten zu einem deutlich erhöhten Wasserverbrauch, was neue Probleme mit sich bringt.

Umfragedaten zeigen, dass die Welt täglich mehr als 141 Milliarden Liter Frischwasser für die Toilettenspülung ausgibt (das Sechsfache des Gesamtwasserverbrauchs der afrikanischen Bevölkerung), und dass Stadtbewohner 30 bis 35 % des gesamten Haushaltswassers für die Toilettenspülung verwenden. Diese beiden Zahlen sind atemberaubend. Gleichzeitig zeigt der von der UNESCO und United Nations Water gemeinsam veröffentlichte Weltwasserentwicklungsbericht 2023 der Vereinten Nationen, dass weltweit immer noch 2 bis 3 Milliarden Menschen unter Wasserknappheit leiden. Diese paradoxe Situation zwingt die Menschen, nach anderen Lösungen zu suchen.

Nachdem die Wissenschaftler den merkwürdigen Zusammenhang zwischen Kot und Toilette untersucht hatten, kamen sie schließlich auf eine Lösung: Entwerfen Sie eine Toilette, die nicht am Kot festklebt!

Kann eine antihaftbeschichtete Toilette durch das Hinzufügen einer Beschichtung erreicht werden?

Vielleicht ist Ihre erste Reaktion, dass Sie einfach eine Schicht Beschichtung auf die Toilette auftragen, um eine Nichthaftung zu erreichen. Das denken auch Wissenschaftler.

Nepenthes sind in der biologischen Welt bekannte fleischfressende Pflanzen. Ihre Blätter sind auf flaschenförmige Kannen spezialisiert. Die Innenwände der Krüge weisen poröse Mikrostrukturen auf und sind mit Schmierflüssigkeit gefüllt. Insekten, die von den Nektarien der Kannenpflanze angezogen werden und in die Kanne fallen, können keinen stabilen Halt an der Innenwand finden und können so nur schwer entkommen. Dieses magische Phänomen hat die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf sich gezogen.

Die Innenwand einer Kannenpflanzenfalle sieht aus wie eine Toilette. Bildquelle: Wikipedia

Das Team von Tak-Sing Wong an der Pennsylvania State University in den Vereinigten Staaten ließ sich von Nepenthes inspirieren und entwickelte eine „ultrarutschige Beschichtung“ – LEES (liquid-entrenchedsmoothSurface, flüssigkeitsfixierte glatte Oberfläche).

Verwenden Sie einfach Polydimethylsiloxan, um eine nanoskalige „Haarbasis“ auf der Oberfläche der Toilette zu bilden, und sprühen Sie dann Silikonschmiermittel auf. Es dauert nur 5 Minuten, um auf der Oberfläche einer gewöhnlichen Keramiktoilette eine LEES-Beschichtung zu bilden, die diese glatter macht.

Wissenschaftler haben Wasser, künstliche gemischte Fäkalien und echte Fäkalien an der Innenwand von Toiletten getestet, die mit dieser Beschichtung hergestellt wurden. Sie fanden heraus, dass die LEES-Beschichtung die Adhäsion von viskoelastischen Flüssigkeiten wie Fäkalien um etwa 90 % reduzieren kann, wodurch im Grunde eine „Nicht-Adhäsion“ erreicht wird.

Die LESS-Beschichtung wirkt sich auch unmittelbar auf die Einsparung von Wasserressourcen aus. Abhängig vom unterschiedlichen Wassergehalt des „Kots“ kann der Wasserverbrauch für die Toilettenspülung um 50 % bis 90 % reduziert werden. Die LEES-Schicht hat zudem eine gewisse antibakterielle Wirkung, wodurch die Geruchsbildung weiter reduziert werden kann.

Vergleich der Wirksamkeit von LEES-beschichteten (links) und unbeschichteten Toiletten (rechts) bei der Entfernung synthetischer Fäkalien. Bildquelle: Dokument[3]

Basierend auf LESS haben Wissenschaftler diese Beschichtungstechnologie in den letzten zehn Jahren kontinuierlich verbessert, Beschichtungen mit besserer Wirkung entwickelt und sie in großem Umfang in den Bereichen Antifouling, Selbstreinigung, Anti-Icing und anderen Bereichen eingesetzt.

Allerdings bringt diese Beschichtungstechnologie auch ihre eigenen Probleme mit sich. Am Beispiel von LESS muss nach etwa 500 Spülungen eine neue Silikonölbeschichtung auf die Toilette gesprüht werden und auch die Polydimethylsiloxanbasis muss nach längerem Gebrauch repariert werden.Jede Reparatur kostet 15 US-Dollar (ca. 109 RMB).. In unterentwickelten Gebieten mit Wasserknappheit kann der Einsatz dieser Technologie zu umständlich und teuer erscheinen.

Gibt es eine Möglichkeit, das Problem ein für alle Mal zu lösen?

Auch das Team von Professor Su Bin von der Huazhong University of Science and Technology ließ sich von der Mikrostruktur der Innenwand der Kannenpflanze inspirieren und beschloss, mit der Toilette selbst zu beginnen. Sie verwendeten eine Mischung aus Kunststoff und Spezialsand als Rohstoffe, um ein Toilettenmodell in 3D zu drucken, das 1/10 der Größe einer gewöhnlichen Toilette hat.

Beim 3D-Druckverfahren sintert der Laser die Rohmaterialien. Sintern ist ein chemischer Prozess, der zwei Arten von Feststoffen verdichtet und miteinander verbindet. Dabei entsteht vor allem eine poröse Struktur – viele kleine Lücken zwischen den Feststoffpartikeln. Dadurch kann sich Schmiermittel auf der gesamten Oberfläche der Toilettenschüssel einlagern und sogar in den Innenraum eindringen. Auf diese Weise kann, nachdem das Schmieröl auf der Oberfläche verloren gegangen ist, es aus dem tieferen Inneren der Toilette wieder aufgefüllt werden, wodurch die Wirkung ein für alle Mal erreicht wird.

Gleichzeitig macht diese poröse Struktur die Toilette verschleißfester. Selbst nach mehr als 1.000 Schleifvorgängen mit Schleifpapier ist die Mini-Toilette immer noch so glatt wie eh und je.

Natürlich ist eine solche Toilette noch lange nicht Einzug in unser Leben.Weil es notwendig ist, zuerst die tatsächliche Größe der Toilette zu drucken und dann die Herstellungskosten zu senken..

Synthetischer Kot kann immer noch aus dem unteren Loch einer Minitoilette rutschen, die 1.000 Mal geschliffen wurde. Quelle: Dokument[2]

Warum kann Kot nicht an der Toilette haften bleiben?

Auf chemischer Ebene ist die extreme Rutschfestigkeit von Kannenpflanzen, LESS-Beschichtungen und Mini-Toiletten auf eine Materialeigenschaft namens Hydrophobie zurückzuführen. Wenn die Oberfläche eines hydrophoben Materials mit Wasser in Kontakt kommt, bilden die Wassertropfen eine Perlenform, wodurch es schwierig wird, die Oberfläche zu benetzen.

Dies liegt daran, dass die Wechselwirkung zwischen Molekülen auf der Oberfläche des Materials größer ist als die Kraft zwischen Wassermolekülen und der Oberfläche. Dementsprechend ist eine Oberfläche hydrophil, bei der die Wechselwirkungskraft zwischen Molekülen auf der Oberfläche eines Materials kleiner ist als die Kraft zwischen Wassermolekülen und der Oberfläche.

Normalerweise bestimmen wir den hydrophilen oder hydrophoben Effekt einer festen Oberfläche, indem wir den Winkel zwischen der Kante des Tropfens und der festen Oberfläche messen (d. h. den Kontaktwinkel). Es ist nicht schwer zu erkennen, dass der Kontaktwinkel 0° betragen sollte, wenn der Wassertropfen vollständig auf der festen Oberfläche verteilt ist, und dass der Kontaktwinkel 180° betragen sollte, wenn der Wassertropfen vollständig kugelförmig bleibt.

Kontaktwinkel von Wassertropfen auf hydrophilen, hydrophoben und superhydrophoben Oberflächen. Bildquelle: Dokument[5]

Je größer der Kontaktwinkel ist, desto stärker ist daher die Hydrophobie des Feststoffs. Wenn der Kontaktwinkel 150° überschreitet, haben Wissenschaftler einen neuen Namen für diese Eigenschaft: „superhydrophob“. Neben den oben genannten Kannenpflanzen und Überzügen weisen auch die Blätter von Lotus, Taro, Kohl und anderen Pflanzen in der Natur sowie die Flügel von Morpho-Schmetterlingen diese Eigenschaft auf, die durch ihre raue oder poröse Mikrostruktur bestimmt wird.

Abschluss:

Wissenschaftler haben viel dafür getan, dass Ihr Kot nicht an der Toilette kleben bleibt, aber es gibt noch viele Probleme, die gelöst werden müssen. Wir glauben jedoch, dass mit dem Fortschritt der Materialwissenschaft eines TagesAntihaftbeschichtete Toiletten werden Einzug in unser tägliches Leben halten.

Referenzen

[1] Woolley, S.M., et al. „Scherheologische Eigenschaften von frischem menschlichem Kot mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt.“ Watersa40.2 (2014): 273-276.

[2] Li, Yike, et al. „Abriebfeste und verbesserte superrutschige Spültoiletten, hergestellt durch eine selektive Lasersinter-3D-Drucktechnologie.“ AdvancedEngineeringMaterials(2023):2300703.

[3] Wang, Jing et al. „Viscoelastische feststoffabweisende Beschichtungen für extreme Wassereinsparung und globale Hygiene.“ Naturnachhaltigkeit 2.12 (2019): 1097-1105.

[4] Kreder, MichaelJ., et al. „Gestaltung von Anti-Eis-Oberflächen: glatt, strukturiert oder rutschig?.“ NatureReviewsMaterials1.1(2016):1-15.

[5] Zhang, P. und F.Y.Lv. „Ein Überblick über die jüngsten Fortschritte bei superhydrophoben Oberflächen und die neuen energiebezogenen Anwendungen.“ Energy82 (2015): 1068-1087.

[6]Chen, Huawei et al. „Kontinuierlicher gerichteter Wassertransport auf der Peristomoberfläche von Nepenthesalata.“ Nature532.7597(2016):85-89.

[7] Wang, Dagui et al. „Flüssigkeitsähnliche Polymerschmieroberflächen: Mechanismen und Anwendungen.“ Nanoforschung (2023).

Planung und Produktion

Produziert von Popular Science China

Produzent丨China Science Expo

Autor丨Denovo Team

Herausgeber丨Yinuo